10.3. Визуальные методы оценки деформаций
Перечисленные тензометрические методы позволяют осуществить только более ли менее точное исследование объекта измерения. Также и многопозиционная система измерения с применением тензорезисторов или розеток при сложной конфигурации испытуемой детали или при неясном распределении напряжений позволяет только приближенно определить топографию напряжений, так как плотность размещения тензометров ограничена. Поэтому целесообразно использовать визуальный метод для определения распределения деформаций и обеспечения в первую очередь возможности локализовать критические места. Для решения этой задачи имеются два метода: метод хрупких покрытий и поляризационно-оптический метод. Возможность применения этих методов ограничена. В основном они применимы в тех случаях, когда необходимо предварительно выявить критические места с тем, чтобы провести дополнительные исследования методами, позволяющими получить количественные выводы.
Метод хрупких покрытий. На испытуемый объект наносят хрупкое покрытие. Деформация объекта под действием механической нагрузки сопровождается образованием мелких трещин в упомянутом покрытии. Трещины проявляются только при растяжении и только в случае, если растяжение превысит некоторое предельное значение, называемое также чувствительностью хрупкого покрытия к трещинообразованию R. Эта чувствительность R, не говоря о составе и способе нанесения хрупкого покрытия, зависит от разных воздействий, например от скорости высыхания, окружающей температуры, влажности воздуха и т.п. Трещины всегда направлены перпендикулярно к направлению главной деформации 1 (или к направлению главного напряжения 1). Для наблюдения деформаций сжатия процесс следует вести в обратном порядке, т.е. наносит хрупкое покрытие на предварительно напряженный объект с последующей его разгрузкой. Метод хрупких покрытий применим только к статическим нагрузкам, а при динамических нагрузках – только к одноразовой ударной нагрузке. Покрытие может быть использовано только для одного испытания, а в случае серийного испытания – и для ступенчато возрастающих нагрузок. Перед каждым следующим испытанием необходимо удалить старую пленку и нанести новую. Качественные исследования могут быть проведены сравнительно просто при условии применения специальных сортов покрытия и только в полностью кондиционированных помещениях.
В качестве хрупких покрытий используют плавкие смолы. Применяют также смесь хрупких лаков, отлитых в виде стержней. Слой смолы толщиной 0,2–0,3 мм наплавляют на очищенную и нагретую до 120–150 0С испытуемую деталь. При охлаждении (из-за различия коэффициентов расширения) в слое образуются собственные (внутренние) напряжения, которые частично компенсируются за счет релаксации смолы. Поэтому наивысшая чувствительность к трещинообразованию проявляется непосредственно после охлаждения. При чрезмерной скорости охлаждения собственные напряжения превосходят прочность пленки смолы на отрыв и она разрывается беспорядочно вдоль и поперек. Критическим является также охлаждение испытуемых деталей неоднородной толщины, так как более тонкие их участки остывают скорее, чем более толстые, что вызывают неоднородную чувствительность к трещинообразованию. По этой причине работа с такими хрупкими покрытиями требует некоторого навыка.
Нагружать испытуемую деталь следует непосредственно вслед за охлаждением. Пленка разрывается перпендикулярно наибольшему растяжению. Направление первого главного напряжения 1 всегда перпендикулярно трещине в пленке, а направление второго главного напряжения 2 – параллельно последней. При смешанных напряжениях направление трещин соответствует зависимости
Распределение трещин на стрежнях или на краях испытуемых деталей позволяет сразу же судить о характере напряжений. Высокая чувствительность к трещинообразованию позволяет по поперечной деформации определить напряжения сжатия. Значительно труднее оценивать линии на поверхностях несущих сводов – оболочек, и для этого обычно требуется последующее тензометрирование: о них также невозможно судить по плотности трещин. Трещины в пленке расположены, как правило, вплотную одна к другой и могут быть обнаружены только в отраженном свете. Для фотографической их документации необходимо на трещины наносить белую краску; белые линии наглядно выделяются на красной поверхности покрытия. Смола, применяемая для нанесения покрытия, сравнительно дешева; какие-либо вспомогательные устройства не требуются. Выдержка зависит только от длительности охлаждения. Допустимо применение на открытом воздухе.
Покрытие наносят напылением на поверхность испытуемой детали, очищенную и грунтованную алюминиевой бронзой. Одновременно напыляют несколько контрольных стрежней и располагают их в непосредственной близости к детали с тем, чтобы сушка происходила в одинаковых условиях. Время сушки в зависимости от климатических условий занимает от 12 до 24 ч. При длительной сушке ползучесть и влагопоглощение оказывают значительно более существенное влияние, чем в случае применения наплавленной смолы. Если испытание проводится не в кондиционированном помещении, то резкая перемена погоды может значительно исказить результат испытания.
Непосредственно перед началом испытания в контрольных стержнях при помощи гибочного устройства создают напряжения нагиба и определяют чувствительность стержней к трещинообразованию. Этим обеспечивается возможность установить зависимость между трещинами и уровнем напряжения:
Эта зависимость справедлива, однако, только для одноосного напряженного состояния. Для двухосного напряженного состояния зависимость значительно сложнее; общей для всех случаев гипотезы трещинообразования не имеется.
При ступенчатом нагружении детали определяют последние появившиеся трещины. Соединяя их линиями, получают траектории первого главного напряжения.
Поляризационно-оптический метод (метод фотоупругости). Этот метод позволяет получить непрерывную картину распределения напряжения на поверхности испытуемой детали. Поэтому он особенно пригоден для нахождения слабых мест, концентраций напряжений или сложных эпюр напряжения в деталях со сложной конфигурацией, а также и для обнаружения бороздок или трещин и для наблюдения за процессами роста трещин или разрыва. Метод пригоден для исследования статических и периодических динамических процессов.
Наряду с хорошей видимостью распределения напряжений на больших поверхностях имеется также возможность проведения исследований на натурных элементах конструкций, что часто обеспечивает особые преимущества. Испытуемый объект должен быть доступным наблюдателю, и его поверхность располагается перпендикулярно приборам наблюдения и освещения. Так как фотоупругость смол, начиная с 300С, очень сильно меняется, то применение этого метода в основном ограничивается комнатной температурой.
Расшифровка результатов испытания проста, поскольку достаточно изучить главные касательные напряжения и направления главных напряжений. Главные напряжения могут быть определены только по точкам. Для наблюдения требуется отражательный полярископ. Обычно при очень слабых эффектах фотоупругости требуется применение компенсатора (компенсатора Бабинета). Однако и он при упругих деформациях в металлических деталях позволяет получить только умеренную точность. Возможна фотографическая регистрация эффекта фотоупругости. Наряду с этим можно найденные с помощью компенсатора Бабинета порядковые числа и их средние значения через связанный с компенсатором индикатор преобразовывать в цифровые величины и регистрировать с использованием печатающего устройства. Наблюдатель должен быть знаком с основами теории фотоупругости и иметь соответствующий опыт. Поэтому часто отказываются от количественной оценки результатов испытания и вместо этого ограничиваются обнаружением критических мест, которые затем исследуются при помощи тензорезисторов. Это рекомендуется также, если требуется регистрация или накопление измеренных значений.
Покрытие можно наносить различным образом:
1. На испытуемую деталь наклеивают тонкие пластинки (толщиной 1-2 мм) из фотоупругого материала. Приклейка должна быть безупречной, чтобы была обеспечена возможность неискаженной передачи деформации с детали. Применяемый специальный клей вместе с тем образует отражающий фон. Для изогнутых поверхностей необходимо на месте изготавливать пластинки из твердеющих при охлаждении смол; их накладывают в частично твердом еще пластическом состоянии на поверхности и на месте они окончательно твердеют. После этого полученные пресс-элементы снимают и приклеивают. При больших деталях стыки между пластинками склеивают так, чтобы не было швов.
2. Технология нанесения жидкой смолы несколькими слоями на деталь, поверхность которой предварительно отполирована, проста, однако продолжительна. Кроме того, трудно обеспечить равномерную толщину покрытия, в особенности на краях и выемках. Толщина покрытия должна учитываться при оценке результатов испытания.
3. Можно напылять на испытуемый объект смолу и отвердитель при помощи двухсоплового распылителя. При средней толщине каждого слоя в 0,1 мм для обычного назначения требуется 10-15 слоев.